机械可靠性设计的内涵与递进

高伟

摘要：机械设计的复杂性，不仅在于它是一个系统性的领域，更在于众多的机械产品都对可靠性提出了较高的要求，因而，在机械产品的设计过程中的可靠性是要予以足够重视的。文章针对机械的可靠性设计进行了阐述。

关键词：机械可靠性；机械设计；概率设计法；稳健性设计法

中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0010-02

现代社会，科学技术日新月异，在对产品的质量提出更高要求的同时，可靠性这一概念在工程科学领域越来越受到重视。机械结构可靠程度直接由其设计决定，而在设计时要充分考虑结构的可靠性。与西方发达国家相比，我国机械结构的设计水平还处于比较低端的水平，而要实现机械制造业的快速、健康发展，不断提升产品质量，在国际竞争中取得质量优势，增强企业的国际竞争力，政府和企业必须足够重视对机械可靠性技术研发，提升设计水平。另外，世贸组织推行的关于机械产品的强制认证制度更从参与国际竞争的要求角度对机械产品的质量提出了更高的要求，加剧了激烈竞争的程度。这一切都显示出，研究机械可靠性技术是势在必行的。

1 机械可靠性概述及发展现状

何为可靠性？可靠性实际上指的是产品在特定的环境条件和工作条件下，在规定的任务时间范围内能够完成规定功能的连续性和重复性的能力。20世纪20年代，对于可靠性技术的研究就已经开始，到20世纪40年代，才应用于结构工程设计之中。可靠性技术要依赖于概率统计和随机过程理论，通过结构分析技术，来达到对结构系统可靠度的进行估计。通过研究和生产实践，国内外一致认为，机械结构的设计是保证其可靠性的决定性因素，而制造安装和管理是重要支撑。因而，为了保证机械结构的安全可靠，提升工业的发展水平，并进而优化产业内结构，在机械结构的设计过程中，对于概率设计理论的研究，可靠性技术的应用就显得十分重要。正是基于这样的需求，可靠性分析与设计方法得到了快速发展。

对于机械可靠性技术的研究，我国目前已经取得了一定的成果。此类研究活动主要集中在高校和专业性的研究机构，有很多科技工程领域的研究人员参与到研究之中，并由不少的设计人员从事着实际设计实践活动。经过研究工作者的辛勤耕耘，已经出现了颇具价值的专业著作、学术报告、教学教材。然而，相比较国际先进水平，在这方面依然存在巨大的差距。我国关于可靠性各方各面的研究和实践还处于初级起步阶段，水平还亟待提高。从机械可靠性技术研究方面而言，尚处于探索初期；从管理体系而言，在我国的企业中还没有建立起可靠性管理体系；从设计方面而言，设计技术没有得到推广使用。造成这些问题的原因是多方面的，主要有可靠性理论的研究时间短，且没有得到广泛传播；设计人员对于设计方法的理解和掌握水平较低；企业缺乏自主创新能力，忽视对自主研发能力的投入，从而造成我国虽然是一个机械制造大国，但是由于缺乏可靠性核心技术，而不能跻身制造强国，进而对我国的经济发展状况产生影响。

2 机械可靠性设计的常用方法

2.1 概率设计法

概率设计法是一种设计机械零部件及构件的方法，依赖概率设计理论的指导。首先是对原材料的强度、性能和零部件的尺寸等条件进行概率分布统计，然后再用应力强度干涉模型进行运算，最后在零部件的设计计算模型的帮助下，取得零部件的尺寸、可靠度、使用寿命。把以设计变量为随机变量，在应力强度干涉模型帮助下，保证所设计的零部件能够达到预期的可靠度指标，是概率设计法的核心所在。传统的设计方法是以安全系数为基础的，与之相比，概率设计法有其优越之处。首先，概率设计法能够更好地保证机械产品的可靠度。这是因为该方法并不是采取最小强度大于最大应力的指标，而是对机械产品的应力和强度的描述通过概率分布来完成，这样就有效地克服了传统方法因为强度和应力并非一成不变而造成的设计可靠性的缺陷。其次，概率设计法能够满足定量可靠度的要求。原因在于该方法预见并承认了设计的零部件会存在一定程度上的故障，并能够对产品的故障率和可靠程度做出定量的回答；而传统的方法并不能对可靠度做出定量的

预测。

2.2 稳健性设计法

稳健性设计法是由田口玄一（日本著名机械设计师）提出的。该法以统计分析为设计基础，目的是尽可能保持产品性能的稳定性以及最大限度地延长产品的使用时长，这就要求在设计过程中考虑到制造过程和使用过程中，外部环境的变异和产品本身参数、结构等因素的变化等各种问题，并予以预见性的解决。该法衡量产品设计的可靠性，主要是根据产品对拥护造成的损失大小。损失是指产品的实际功能与预期目标之间的偏差；如果偏差越大，用户的损失也就越大，同时也说明产品质量也越差。对生产材料和生产工艺的严格控制能够有效地减小偏差，从而提升产品的质量。稳健性设计法存在明显的缺陷，理论上这种方法是成立的，但是技术层面上却难以实施，从而使得其经济适用性差。在某种程度上而言，这种方法实际上集合了诸多方法的做法，对其进行改良和完善，可以有效地提升产品的可靠性。如果产品的抗干扰性提高、稳健性良好，那么产品必然拥有较高的可靠性。

3 可靠性优化设计

机械产品生产制造全过程离不开设计的过程，而且这也是至关重要的环节之一。当今时代，科技日新月异，知识和技术的相互转化、技术向生产力的转化日益迅速，各种新型的生产工艺、生产材料等应运而生，各种新型的机械产品加速取代旧时落后的机械产品。这些使得市场对产品的需求提出了更高的要求，顾客更多地去考虑产品的质量、性能和售后的服务质量。而市场需求反过来，对机械产品的设计和生产也同样提出了要求。如果不去提升设计质量、缩短设计时间和设计过程，产品的生产必然满足不了市场需求。另外，设计的完善程度，必然影响到生产出来的机械产品的质量和成本，而提高质量、降低成本是企业经营成败的关键因素之一。所以，在当今时代，要想取得机械工业的快速发展，深入研究设计的可靠性技术，改善设计方法，提高设计的效率和效果势在必行。而数学规划和计算机技术为优化可靠性设计提供了有力的支撑。机械优化设计正是由于数学规划理论与方法和计算机技术的发展和应用应运而生的，依托计算机提供的优化设计理论和方法，能够有效地解决各种复杂的问题，从而获得长足发展。

参考文献

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[2] 林有志，刘凌霜，宋爱斌，刘明.机械可靠性设计的研究现状与进展[J].科学之友（B版），2009，（6）.

[3] 张伟.浅谈机械可靠性设计[J].才智，2010，（3）.

（责任编辑：周加转）